西北農林科大合作開發基於全基因組共線性構建系統發育的新方法

系統發育重建對研究生物各類群間親緣關係與進化演變至關重要，也是探索重要性狀的起源與演化、提出相應科學猜想的框架基石。雖然當前大量的全基因組資料、轉錄組資料極大地豐富了可供分析的資訊位點，依然有一些分支關係飽受爭議，例如被子植物中木蘭類植物與單子葉植物、真雙子葉植物之間的關係，葡萄目、檀香目、石竹目的關係與位置等等。

當前系統發育重建主要基於多序列比對的方法，然而受進化歷程中古多倍化事件、不完全譜系分揀、雜交漸滲等因素的影響，標記基因選取和系統發育關係的真實重建面臨諸多挑戰。共線性

（synteny）

，即基因沿染色體的排列次序

（gene order）

反映的是基因組的結構資訊，是獨立於基因序列資訊之外的一層資訊，也可以用來進行系統發育重建，而且相較於序列變異，得出的結果可能更為可靠。

近日，西北農林科技大學和根特大學的合作研究團隊在線上發表了題為

的研究論文。該研究基於前期開發的共線性網路分析方法

（Zhao et al， Plant Cell， 2017； Zhao & Schranz， PNAS， 2019）

，開發了Syn-MRL的方法進行系統發育重建，將共線性網路資料庫中全部基因的共線性基因簇資訊

（synteny cluster）

轉化為二元矩陣表示

（binary matrix representation）

，最後用最大似然法

（maximum likelihood）

構建物種樹。

首先，該研究用模擬資料

（simulation）

和真實資料集校驗

（benchmarking datasets）（包括果蠅、酵母、脊椎動物資料集）

對方法進行了評估，結果表明Syn-MRL具有很高的準確度和可靠性。之後，該研究使用123個高質量被子植物基因組，用Syn

-MRL

和基於序列比對的方法

（兩套標記基因*三種方法）

分別構建物種樹，並將結果與APG

（Angiosperm Phylogeny Group）

IV、1KP

（One Thousand Plant Transcriptome Initiative）

進行了綜合比較。

圖1 Whole-genome microsynteny-based species tree inference

結果表明，基於共線性的進化樹與基於序列比對和權威參考的進化樹高度一致，符合當前人們對主要類群間親緣關係的共識。同時，對於一些長久以來有爭議的類群，從基因組結構變異

（共線性特徵）

的角度提出了具有較高支援率的分支結構，例如木蘭類植物和單子葉植物形成姊妹群，葡萄目在真雙子葉植物基部、發生位置在山龍眼目之後等等。該研究也對比分析了在雜交漸滲背景下傳統方法存在的潛在問題，

這些結果對一些長期有爭議的系統發生關係提供了新的資料層面上的證據，也為系統發育的研究提供了新的方法和思考。

圖2 Results of Syn-MRL on simulations

圖3 ML tree for 123 fully sequenced flowering plant genomes based on the microsynteny approach

西北農林科技大學園藝學院

趙濤

教授

（第一作者）

和比利時根特大學

Yves Van de Peer

教授為該論文的共同通訊作者，南京農業大學園藝學院

薛佳宇

副教授、根特大學

Arthur Zwaenepoel

、

李臻

博士、

高樹民

博士和荷蘭瓦赫寧根大學

Eric Schranz

教授也為該研究做出重要貢獻。該專案得到了旱區作物逆境生物學國家重點實驗室的伺服器平臺支援和西北農林科技大學引進人才專案的經費支援。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23665-0